[發明專利]一種太赫茲吸收器單元矩陣編碼化方法及吸收譜快速預測與結構逆設計模型

在審

• 申請號: 202211471799.3
• 申請日: 2022-11-23
• 公開（公告）號: CN115938511A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 鐘任斌;吳倩;王家念;郭奔崢
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08
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本發明公開了一種太赫茲吸收器單元矩陣編碼化方法及吸收譜快速預測與結構逆設計模型，涉及太赫茲超材料設計領域。該吸收器周期性結構單元為金和聚四氟乙烯(PTFE)構成的金屬?絕緣體?金屬三層結構，采用數字0和1對上層金屬諧振層矩陣化編碼，得到0/1矩陣化的二值圖像，解決了超材料結構用參數表征的單一性問題和用圖形表征的數據處理復雜問題。所設計的吸收譜快速預測與結構編碼逆設計模型可以精確地得到特定結構的吸收譜，并且可以根據期望的吸收譜按需設計出單元結構。解決了現有技術中設計缺乏靈活性、神經網絡模型復雜度高、訓練時間長的問題。

技術領域

本發明涉及太赫茲超材料設計領域，具體是一種太赫茲吸收器單元矩陣編碼化方法及吸收譜快速預測與結構逆設計模型。

背景技術

超材料是一種人造電磁結構，由于其新穎的電磁特性引起了越來越多的科學興趣。到目前為止，超材料已經展示了他們在控制電磁波的振幅、相位、極化等方面前所未有的能力。超材料的特性被多數電磁應用場景青睞，如超材料吸收器、編碼超表面等。金屬-電介質-金屬三層結構是超材料吸收器的出色設計，其單元結構也稱為元原子，主要是規則和簡單的幾何形狀，包括正方形、矩形、十字和圓形等。這些簡單的幾何形狀有利于設計和制造過程，并已成功顯示出良好的吸波性能。

超材料的元原子構型提供了足夠的設計靈活性，但隨著時間和計算資源的消耗，增加了結構設計的復雜性。傳統的設計非常依賴經驗推理或試錯，當涉及到大量的參數計算時往往需要借助電磁仿真軟件進行大量建模與仿真，這是低效的，即使是有經驗的研究人員也很難通過傳統方法按需設計超材料結構。如何快速精確地對超材料進行分析設計成為目前超材料研究領域的一個問題。

這些年來，隨著人工智能的飛速發展，研究者嘗試將人工智能應用到超材料分析領域，通過深度學習等方式對超材料的設計進行優化，為該領域開辟了新的研究途徑。目前一系列的研究工作展示了基于深度學習方法在解決電磁學設計和預測問題方面的潛力。將超材料的結構參數和電磁響應之間的關系建模為雙向映射，通過搭建不同的神經網絡架構實現了超材料的設計或者電磁響應的預測。然而，有限固定參數的訓練數據限制了該模型的靈活性和性能。為了解決這一問題，研究者將超材料的結構模式表示為二維(2D)圖像。輸入所需的電磁響應譜，可獲得與設計訓練結構相似的隨機幾何結構的二維圖像。雖然這種設計更加靈活，但將采集到的2D圖像轉換為輸入到訓練模型中的數據是非常繁瑣的，而且網絡模型相當復雜。同時，存在復雜網絡模型所導致的培訓成本高、計算資源消耗大的問題。為了解決這一問題，本發明將超材料吸收器結構編碼為一個64×64的0/1矩陣，解決了基于結構參數化網絡模型的奇異性和局限性。此外，與圖像結構模型相比，該模型復雜度大大降低。值得一提的是，編碼矩陣的維度可以根據設計精度要求任意設置。此外，該模型對于其他超材料的結構具有靈活性和可擴展性，可以按需設計不同的超材料結構和電磁響應譜。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種太赫茲吸收器單元矩陣編碼化方法及吸收譜快速預測與結構逆設計模型。本發明可以解決現有結構參數化模型在設計上的局限性，同時可以在不丟失設計精度的前提下解決網絡模型復雜度高、占據空間內存過大、訓練時間成本高的問題。

本發明采用的技術方案如下：

一種矩陣編碼化太赫茲吸收器單元，包括上層、中間層和下層，其特征在于，所述單元結構為金和聚四氟乙烯(PTFE)構成的金屬-絕緣體-金屬三層結構。上層金屬諧振層和下層基底的材料均為金，厚度為1um。中間絕緣層PTFE的厚度為2um，相對介電常數為2。單元結構的周期在x和y方向上都是128um。

進一步的，所述太赫茲吸收器單元對應的吸收響應取決于上層金屬諧振層的圖案構型，固定下層金基底和中間絕緣層的基本結構，基于上層的金屬諧振層設計了十字形、工字形、H形以及雙開口環四種不同構型，每種構型均采用64x64的矩陣編碼化設計，用數字0表示金屬覆蓋的區域，1表示空氣。每個單元的金屬諧振層由4096個矩形單元格表示，每個單元格被寬2um、高1um的金屬方形柱或空氣柱占據。金屬諧振層的構型伴隨著64x64編碼矩陣發生變化。